第二章 液壓動(dòng)力元件

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1、第二章 液壓動(dòng)力元件液壓動(dòng)力元件起著向系統(tǒng)提供動(dòng)力源的作用，是系統(tǒng)不可缺少的核心元件。液壓系統(tǒng)是以液壓泵作為系統(tǒng)提供一定的流量和壓力的動(dòng)力元件，液壓泵將原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)）輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為工作液體的壓力能，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。第一節(jié) 液壓泵的概述一、液壓泵的工作原理及特點(diǎn)1.液壓泵的工作原理 圖31 液壓泵工作原理圖液壓泵都是依靠密封容積變化的原理來進(jìn)行工作的，故一般稱為容積式液壓泵，圖3-1所示的是一單柱塞液壓泵的工作原理圖，圖中柱塞2裝在缸體3中形成一個(gè)密封容積a，柱塞在彈簧4的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪1旋轉(zhuǎn)使柱塞2作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封容積a的大小發(fā)生周期性的交替變

2、化。當(dāng)a有小變大時(shí)就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經(jīng)吸油管頂開單向閥6進(jìn)入油箱a而實(shí)現(xiàn)吸油；反之，當(dāng)a由大變小時(shí)，a腔中吸滿的油液將頂開單向閥5流入系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)壓油。這樣液壓泵就將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪不斷旋轉(zhuǎn)，液壓泵就不斷地吸油和壓油。2.液壓泵的特點(diǎn) 單柱塞液壓泵具有一切容積式液壓泵的基本特點(diǎn)：(1)具有若干個(gè)密封且又可以周期性變化空間。液壓泵輸出流量與此空間的容積變化量和單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)成正比，與其他因素?zé)o關(guān)。這是容積式液壓泵的一個(gè)重要特性。(2)油箱內(nèi)液體的絕對壓力必須恒等于或大于大氣壓力。這是容積式液壓泵能夠吸入油液的外部條件。因此，為保

3、證液壓泵正常吸油，油箱必須與大氣相通，或采用密閉的充壓油箱。(3)具有相應(yīng)的配流機(jī)構(gòu)，將吸油腔和排液腔隔開，保證液壓泵有規(guī)律地、連續(xù)地吸、排液體。液壓泵的結(jié)構(gòu)原理不同，其配油機(jī)構(gòu)也不相同。如圖3-1中的單向閥5、6就是配油機(jī)構(gòu)。容積式液壓泵中的油腔處于吸油時(shí)稱為壓油腔。吸油腔的壓力決定于吸油高度和吸油管路的阻力吸油高度過高或吸油管路阻力太大，會使吸油腔真空度過高而影響液壓泵的自吸能力，壓油腔的壓力則取決于外負(fù)載和排油管路的壓力損失，從理論上講排油壓力與液壓泵的流量無關(guān)。 容積式液壓泵排油的理論流量取決于液壓泵的有關(guān)幾何尺寸和轉(zhuǎn)速，而與排油壓力無關(guān)。但排油壓力會影響泵的內(nèi)泄露和油液的壓縮量，從而

4、影響泵的實(shí)際輸出流量，所以液壓泵的實(shí)際輸出流量隨排油壓力的升高而降低。液壓泵按其在單位時(shí)間內(nèi)所能輸出的油液的體積是否可調(diào)節(jié)而分為定量泵和變量泵兩類；按結(jié)構(gòu)形式可分為齒輪式、葉片式和柱塞式三大類。 二、液壓泵的主要性能參數(shù)1.壓力(1)工作壓力。液壓泵實(shí)際工作時(shí)的輸出壓力稱為工作壓力。工作壓力的大小取決于外負(fù)載的大小和排油管路上的壓力損失,而與液壓泵的流量無關(guān)。(2)額定壓力。液壓泵在正常工作條件下,按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力稱為液壓泵的額定壓力。(3)最高允許壓力。在超過額定壓力的條件下,根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,允許液壓泵短暫運(yùn)行的最高壓力值,稱為液壓泵的最高允許壓力。2.排量和流量(1)排量

5、V。液壓泵每轉(zhuǎn)一周,由其密封容積幾何尺寸變化計(jì)算而得的排出液體的體積叫液壓泵的排量。排量可調(diào)節(jié)的液壓泵稱為變量泵;排量為常數(shù)的液壓泵則稱為定量泵。(2)理論流量qi。理論流量是指在不考慮液壓泵的泄漏流量的情況下,在單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體體積的平均值。顯然,如果液壓泵的排量為V,其主軸轉(zhuǎn)速為n,則該液壓泵的理論流量qi為： (3-1)(3)實(shí)際流量q。液壓泵在某一具體工況下,單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體體積稱為實(shí)際流量,它等于理論流量qi減去泄漏流量q,即： (3-2)(4)額定流量qn。液壓泵在正常工作條件下,按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(如在額定壓力和額定轉(zhuǎn)速下)必須保證的流量。3.功率和效率(1)液壓泵的功率

6、損失。液壓泵的功率損失有容積損失和機(jī)械損失兩部分:容積損失。容積損失是指液壓泵流量上的損失,液壓泵的實(shí)際輸出流量總是小于其理論流量,其主要原因是由于液壓泵內(nèi)部高壓腔的泄漏、油液的壓縮以及在吸油過程中由于吸油阻力太大、油液粘度大以及液壓泵轉(zhuǎn)速高等原因而導(dǎo)致油液不能全部充滿密封工作腔。液壓泵的容積損失用容積效率來表示,它等于液壓泵的實(shí)際輸出流量q與其理論流量qi之比即： (3-3)因此液壓泵的實(shí)際輸出流量q為 (3-4)式中：V為液壓泵的排量(m3/r)；n為液壓泵的轉(zhuǎn)速(r/s)。液壓泵的容積效率隨著液壓泵工作壓力的增大而減小,且隨液壓泵的結(jié)構(gòu)類型不同而異,但恒小于1。機(jī)械損失。機(jī)械損失是指液壓

7、泵在轉(zhuǎn)矩上的損失。液壓泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩T0總是大于理論上所需要的轉(zhuǎn)矩Ti,其主要原因是由于液壓泵體內(nèi)相對運(yùn)動(dòng)部件之間因機(jī)械摩擦而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩?fù)p失以及液體的粘性而引起的摩擦損失。液壓泵的機(jī)械損失用機(jī)械效率表示,它等于液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩Ti與實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩T0之比,設(shè)轉(zhuǎn)矩?fù)p失為T,則液壓泵的機(jī)械效率為： (2)液壓泵的功率。輸入功率Pi。液壓泵的輸入功率是指作用在液壓泵主軸上的機(jī)械功率,當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩為T0，角速度為時(shí),有： (3-6)輸出功率Po。液壓泵的輸出功率是指液壓泵在工作過程中的實(shí)際吸、壓油口間的壓差p和輸出流量q的乘積,即： (3-7)圖3-2 液壓泵的特性曲線式中：p為液壓泵吸、壓油口之間

8、的壓力差(N/m2);q為液壓泵的實(shí)際輸出流量(m3/s);p為液壓泵的輸出功率(Nm/s或W)。 在實(shí)際的計(jì)算中,若油箱通大氣,液壓泵吸、壓油的壓力差往往用液壓泵出口壓力p代入。 (3)液壓泵的總效率。液壓泵的總效率是指液壓泵的實(shí)際輸出功率與其輸入功率的比值,即： (3-8)其中pqi為理論輸入轉(zhuǎn)矩Ti。由式(3-8)可知，液壓泵的總效率等于其容積效率與機(jī)械效率的乘積，所以液壓泵的輸入功率也可寫成： (3-9) 液壓泵的各個(gè)參數(shù)和壓力之間的關(guān)系如圖3-2所示。 第二節(jié) 齒輪泵齒輪泵是液壓系統(tǒng)中廣泛采用的一種液壓泵,它一般做成定量泵,按結(jié)構(gòu)不同,齒輪泵分為外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵,而以外嚙合

9、齒輪泵應(yīng)用最廣。下面以外嚙合齒輪泵為例來剖析齒輪泵。2.1齒輪泵的工作原理和結(jié)構(gòu)齒輪泵的工作原理如圖3-3所示，它是分離三片式結(jié)構(gòu)，三片是指泵蓋4，8和泵體7，泵體7內(nèi)裝有一對齒數(shù)相同、寬度和泵體接近而又互相嚙合的齒輪6，這對齒輪與兩端蓋和泵體形成一密封腔，并由齒輪的齒頂和嚙合線把密封腔劃分為兩部分，即吸油腔和壓油腔。兩齒輪分別用鍵固定在由滾針軸承支承的主動(dòng)軸12和從動(dòng)軸15上，主動(dòng)軸由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。圖3-3 外嚙合型齒輪泵工作原理CBB齒輪泵的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，當(dāng)泵的主動(dòng)齒輪按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪泵右側(cè)（吸油腔）齒輪脫開嚙合，齒輪的輪齒退出齒間，使密封容積增大，形成局部真空，油箱中的

10、油液在外界大氣壓的作用下，經(jīng)吸油管路、吸油腔進(jìn)入齒間。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，吸入齒間的油液被帶到另一側(cè)，進(jìn)入壓油腔。這時(shí)輪齒進(jìn)入嚙合，使密封容積逐漸減小，齒輪間部分的油液被擠出，形成了齒輪泵的壓油過程。齒輪嚙合時(shí)齒向接觸線把吸油腔和壓油腔分開，起配油作用。當(dāng)齒輪泵的主動(dòng)齒輪由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪齒脫開嚙合的一側(cè)，由于密封容積變大則不斷從油箱中吸油，輪齒進(jìn)入嚙合的一側(cè)，由于密封容積減小則不斷地排油，這就是齒輪泵的工作原理。泵的前后蓋和泵體由兩個(gè)定位銷17定位，用6只螺釘固緊如圖3-3。為了保證齒輪能靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又要保證泄露最小，在齒輪端面和泵蓋之間應(yīng)有適當(dāng)間隙（軸向間隙），對小流量泵軸向間隙為

11、0.0250.04mm，大流量泵為0.040.06mm。齒頂和泵體內(nèi)表面間的間隙（徑向間隙），由于密封帶長，同時(shí)齒頂線速度形成的剪切流動(dòng)又和油液泄露方向相反，故對泄露的影響較小，這里要考慮的問題是：當(dāng)齒輪受到不平衡的徑向力后，應(yīng)避免齒頂和泵體內(nèi)壁相碰，所以徑向間隙就可稍大，一般取0.130.16mm。為了防止壓力油從泵體和泵蓋間泄露到泵外，并減小壓緊螺釘?shù)睦?，在泵體兩側(cè)的端面上開有油封卸荷槽16，使?jié)B入泵體和泵蓋間的壓力油引入吸油腔。在泵蓋和從動(dòng)軸上的小孔，其作用將泄露到軸承端部的壓力油也引到泵的吸油腔去，防止油液外溢，同時(shí)也潤滑了滾針軸承。圖3-4 CBB齒輪泵的結(jié)構(gòu)1-軸承外環(huán) 2-堵頭

12、 3-滾子 4-后泵蓋 5-鍵 6-齒輪 7-泵體8-前泵蓋 9-螺釘 10-壓環(huán) 11-密封環(huán) 12-主動(dòng)軸 13-鍵 14-瀉油孔15-從動(dòng)軸 16-瀉油槽 17-定位銷2.2齒輪泵存在的問題1、 1、 齒輪泵的困油問題齒輪泵要能連續(xù)地供油,就要求齒輪嚙合的重疊系數(shù)大于1,也就是當(dāng)一對齒輪尚未脫開嚙合時(shí),另一對齒輪已進(jìn)入嚙合,這樣,就出現(xiàn)同時(shí)有兩對齒輪嚙合的瞬間,在兩對齒輪的齒向嚙合線之間形成了一個(gè)封閉容積,一部分油液也就被困在這一封閉容積中見圖3-5(a),齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí),這一封閉容積便逐漸減小,到兩嚙合點(diǎn)處于節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的對稱位置時(shí)見圖3-5(b),封閉容積為最小,齒輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),封閉容

13、積又逐漸增大,直到圖3-5(c)所示位置時(shí),容積又變?yōu)樽畲?。在封閉容積減小時(shí),被困油液受到擠壓,壓力急劇上升,使軸承上突然受到很大的沖擊載荷,使泵劇烈振動(dòng),這時(shí)高壓油從一切可能泄漏的縫隙中擠出,造成功率損失,使油液發(fā)熱等。當(dāng)封閉容積增大時(shí),由于沒有油液補(bǔ)充,因此形成局部真空,使原來溶解于油液中的空氣分離出來,形成了氣泡,油液中產(chǎn)生氣泡后,會引起噪聲、氣蝕等一系列惡果。以上情況就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。這種困油現(xiàn)象極為嚴(yán)重地影響著泵的工作平穩(wěn)性和使用壽命。圖3-5齒輪泵的困油現(xiàn)象為了消除困油現(xiàn)象,在CBB型齒輪泵的泵蓋上銑出兩個(gè)困油卸荷凹槽,其幾何關(guān)系如圖3-6所示。卸荷槽的位置應(yīng)該使困油腔由大變小

14、時(shí),能通過卸荷槽與壓油腔相通,而當(dāng)困油腔由小變大時(shí),能通過另一卸荷槽與吸油腔相通。兩卸荷槽之間的距離為a,必須保證在任何時(shí)候都不能使壓油腔和吸油腔互通。按上述對稱開的卸荷槽,當(dāng)困油封閉腔由大變至最小時(shí)(圖3-6),由于油液不易從即將關(guān)閉的縫隙中擠出,故封閉油壓仍將高于壓油腔壓力;齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)封閉腔和吸油腔相通的瞬間,高壓油又突然和吸油腔的低壓油相接觸,會引起沖擊和噪聲。于是CBB型齒輪泵將卸荷槽的位置整個(gè)向吸油腔側(cè)平移了一個(gè)距離。這時(shí)封閉腔只有在由小變至最大時(shí)才和壓油腔斷開,油壓沒有突變,封閉腔和吸油腔接通時(shí),封閉腔不會出現(xiàn)真空也沒有壓力沖擊,這樣改進(jìn)后,使齒輪泵的振動(dòng)和噪聲得到了進(jìn)一步改

15、善。圖3-6齒輪泵的困油卸荷槽圖 圖3-7齒輪泵的徑向不平衡力2、 2、 徑向不平衡力三、齒輪泵的徑向不平衡力 齒輪泵工作時(shí),在齒輪和軸承上承受徑向液壓力的作用。如圖3-7所示,泵的右側(cè)為吸油腔,左側(cè)為壓油腔。在壓油腔內(nèi)有液壓力作用于齒輪上,沿著齒頂?shù)男孤┯?具有大小不等的壓力,就是齒輪和軸承受到的徑向不平衡力。液壓力越高,這個(gè)不平衡力就越大,其結(jié)果不僅加速了軸承的磨損,降低了軸承的壽命,甚至使軸變形,造成齒頂和泵體內(nèi)壁的摩擦等。為了解決徑向力不平衡問題,在有些齒輪泵上,采用開壓力平衡槽的辦法來消除徑向不平衡力,但這將使泄漏增大,容積效率降低等。CBB型齒輪泵則采用縮小壓油腔,以減少液壓力對齒

16、頂部分的作用面積來減小徑向不平衡力,所以泵的壓油口孔徑比吸油口孔徑要小。四、齒輪泵的流量計(jì)算齒輪泵的排量V相當(dāng)于一對齒輪所有齒谷容積之和,假如齒谷容積大致等于輪齒的體積,那么齒輪泵的排量等于一個(gè)齒輪的齒谷容積和輪齒容積體積的總和,即相當(dāng)于以有效齒高(h=2m)和齒寬構(gòu)成的平面所掃過的環(huán)形體積,即： (3-10)式中：D為齒輪分度圓直徑，D=mz(cm);h為有效齒高,h=2m(cm)；B為齒輪寬(cm);m為齒輪模數(shù)(cm)；z為齒數(shù)。實(shí)際上齒谷的容積要比輪齒的體積稍大,故上式中的常以3.33代替,則式(3-10)可寫成： (3-11)齒輪泵的流量q(1/min)為： (3-12)式中：n為齒

17、輪泵轉(zhuǎn)速(rpm);v為齒輪泵的容積效率。實(shí)際上齒輪泵的輸油量是有脈動(dòng)的,故式(3-12)所表示的是泵的平均輸油量。從上面公式可以看出流量和幾個(gè)主要參數(shù)的關(guān)系為:(1)輸油量與齒輪模數(shù)m的平方成正比。(2)在泵的體積一定時(shí),齒數(shù)少，模數(shù)就大,故輸油量增加,但流量脈動(dòng)大;齒數(shù)增加時(shí)，模數(shù)就小,輸油量減少,流量脈動(dòng)也小。用于機(jī)床上的低壓齒輪泵,取z=1319,而中高壓齒輪泵,取z=614,齒數(shù)z14時(shí),要進(jìn)行修正。(3)輸油量和齒寬B、轉(zhuǎn)速n成正比。一般齒寬B=(610)m;轉(zhuǎn)速n為750r/min：1000 r/min、1500r/min,轉(zhuǎn)速過高，會造成吸油不足,轉(zhuǎn)速過低，泵也不能正常工作。一

18、般齒輪的最大圓周速度不應(yīng)大于56m/s。五、高壓齒輪泵的特點(diǎn)上述齒輪泵由于泄漏大(主要是端面泄漏,約占總泄漏量的70%80%),且存在徑向不平衡力,故壓力不易提高。高壓齒輪泵主要是針對上述問題采取了一些措施,如盡量減小徑向不平衡力和提高軸與軸承的剛度;對泄漏量最大處的端面間隙,采用了自動(dòng)補(bǔ)償裝置等。下面對端面間隙的補(bǔ)償裝置作簡單介紹。1.浮動(dòng)軸套式 圖3-8(a)是浮動(dòng)軸套式的間隙補(bǔ)償裝置。它利用泵的出口壓力油,引入齒輪軸上的浮動(dòng)軸套1的外側(cè)A腔,在液體壓力作用下,使軸套緊貼齒輪3的側(cè)面,因而可以消除間隙并可補(bǔ)償齒輪側(cè)面和軸套間的磨損量。在泵起動(dòng)時(shí),靠彈簧4來產(chǎn)生預(yù)緊力,保證了軸向間隙的密封。

19、圖3-8端面間隙補(bǔ)償裝置示意圖2.浮動(dòng)側(cè)板式 浮動(dòng)側(cè)板式補(bǔ)償裝置的工作原理與浮動(dòng)軸套式基本相似,它也是利用泵的出口壓力油引到浮動(dòng)側(cè)板1的背面見圖3-8(b),使之緊貼于齒輪2的端面來補(bǔ)償間隙。起動(dòng)時(shí),浮動(dòng)側(cè)板靠密封圈來產(chǎn)生預(yù)緊力。3.撓性側(cè)板式 圖3-8(c)是撓性側(cè)板式間隙補(bǔ)償裝置,它是利用泵的出口壓力油引到側(cè)板的背面后,靠側(cè)板自身的變形來補(bǔ)償端面間隙的,側(cè)板的厚度較薄,內(nèi)側(cè)面要耐磨(如燒結(jié)有0.50.7mm的磷青銅),這種結(jié)構(gòu)采取一定措施后,易使側(cè)板外側(cè)面的壓力分布大體上和齒輪側(cè)面的壓力分布相適應(yīng)。 圖3-9內(nèi)嚙合齒輪泵工作原理 六、內(nèi)嚙合齒輪泵內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理也是利用齒間密封容積的

20、變化來實(shí)現(xiàn)吸油壓油的。圖3-9所示是內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理圖。它是由配油盤(前、后蓋)、外轉(zhuǎn)子(從動(dòng)輪)和偏心安置在泵體內(nèi)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(主動(dòng)輪)等組成。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相差一齒,圖中內(nèi)轉(zhuǎn)子為六齒,外轉(zhuǎn)子為七齒,由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子是多齒嚙合,這就形成了若干密封容積。當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子圍繞中心O1旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子繞外轉(zhuǎn)子中心O2作同向旋轉(zhuǎn)。這時(shí),由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂A1和外轉(zhuǎn)子齒谷A2間形成的密封容積C(圖中陰線部分),隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)密封容積就逐漸擴(kuò)大,于是就形成局部真空,油液從配油窗口b被吸入密封腔,至A1、A2位置時(shí)封閉容積最大,這時(shí)吸油完畢。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí),充滿油液的密封容積便逐漸減小,油液受擠壓,于是通過另一配油窗口a

21、將油排出,至內(nèi)轉(zhuǎn)子的另一齒全部和外轉(zhuǎn)子的齒凹A2全部嚙合時(shí),壓油完畢,內(nèi)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周,由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂和外轉(zhuǎn)子齒谷所構(gòu)成的每個(gè)密封容積,完成吸、壓油各一次,當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),即完成了液壓泵的吸排油工作。內(nèi)嚙合齒輪泵的外轉(zhuǎn)子齒形是圓弧,內(nèi)轉(zhuǎn)子齒形為短幅外擺線的等距線,故又稱為內(nèi)嚙合擺線齒輪泵,也叫轉(zhuǎn)子泵。內(nèi)嚙合齒輪泵有許多優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,零件少,轉(zhuǎn)速可高達(dá)10000r/mim,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),噪聲低,容積效率較高等。缺點(diǎn)是流量脈動(dòng)大,轉(zhuǎn)子的制造工藝復(fù)雜等,目前已采用粉末冶金壓制成型。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,擺線齒輪泵的應(yīng)用將會 愈來愈廣泛內(nèi)嚙合齒輪泵可正、反轉(zhuǎn),可作液壓馬達(dá)用。圖3-9所示是內(nèi)嚙合

22、齒輪泵的工作原理圖第四節(jié) 柱塞泵柱塞泵是靠柱塞在缸體中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成密封容積的變化來實(shí)現(xiàn)吸油與壓油的液壓泵，與齒輪泵和葉片泵相比，這種泵有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，構(gòu)成密封容積的零件為圓柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到較高的配合精度，密封性能好，在高壓工作仍有較高的容積效率；第二，只需改變柱塞的工作行程就能改變流量，易于實(shí)現(xiàn)變量；第三，柱塞泵中的主要零件均受壓應(yīng)力作用，材料強(qiáng)度性能可得到充分利用。由于柱塞泵壓力高，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，流量調(diào)節(jié)方便，故在需要高壓、大流量、大功率的系統(tǒng)中和流量需要調(diào)節(jié)的場合，如龍門刨床、拉床、液壓機(jī)、工程機(jī)械、礦山冶金機(jī)械、船舶上得到廣泛的應(yīng)用。柱塞泵按柱塞的排列和運(yùn)動(dòng)方向

23、不同，可分為徑向柱塞泵和軸向柱塞泵兩大類。4.1徑向柱塞泵1. 1. 徑向柱塞泵的工作原理 徑向柱塞泵的工作原理如圖322所示，柱塞1徑向排列裝在缸體2中，缸體由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)連同柱塞1一起旋轉(zhuǎn)，所以缸體2一般稱為轉(zhuǎn)子，柱塞1在離心力的（或在低壓油）作用下抵緊定子4的內(nèi)壁，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向回轉(zhuǎn)時(shí)，由于定子和轉(zhuǎn)子之間有偏心距e，柱塞繞經(jīng)上半周時(shí)向外伸出，柱塞底部的容積逐漸增大，形成部分真空，因此便經(jīng)過襯套3（襯套3是壓緊在轉(zhuǎn)子內(nèi)，并和轉(zhuǎn)子一起回轉(zhuǎn)）上的油孔從配油孔5和吸油口b吸油；當(dāng)柱塞轉(zhuǎn)到下半周時(shí)，定子內(nèi)壁將柱塞向里推，柱塞底部的容積逐漸減小，向配油軸的壓油口c壓油，當(dāng)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)一周時(shí)，每個(gè)柱塞底部

24、的密封容積完成一次吸壓油，轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，即完成壓吸油工作。配油軸固定不動(dòng)，油液從配油軸上半部的兩個(gè)孔a流入，從下半部兩個(gè)油孔d壓出，為了進(jìn)行配油，配油軸在和襯套3接觸的一段加工出上下兩個(gè)缺口，形成吸油口b和壓油口c，留下的部分形成封油區(qū)。封油區(qū)的寬度應(yīng)能封住襯套上的吸壓油孔，以防吸油口和壓油口相連通，但尺寸也不能大得太多，以免產(chǎn)生困油現(xiàn)象。圖322 徑向柱塞泵的工作原理1柱塞 2缸體 3襯套 4定子 5配油軸2.徑向柱塞泵的排量和流量計(jì)算：當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子之間的偏心距為e時(shí)，柱塞在缸體孔中的行程為2e，設(shè)柱塞個(gè)數(shù)為z，直徑為d時(shí)，泵的排量為： V=d22ez （327） 設(shè)泵的轉(zhuǎn)數(shù)為n，容積效率為

25、V，則泵的實(shí)際輸出流量為： q=d22eznV =d2eznV （328）4.2軸向柱塞泵1.軸向柱塞泵的工作原理 軸向柱塞泵是將多個(gè)柱塞配置在一個(gè)共同缸體的圓周上,并使柱塞中心線和缸體中心線平行的一種泵。軸向柱塞泵有兩種形式,直軸式(斜盤式)和斜軸式(擺缸式),如圖3-23所示為直軸式軸向柱塞泵的工作原理,這種泵主體由缸體1、配油盤2、柱塞3和斜盤4組成。柱塞沿圓周均勻分布在缸體內(nèi)。斜盤軸線與缸體軸線傾斜一角度,柱塞靠機(jī)械裝置或在低壓油作用下壓緊在斜盤上(圖中為彈簧),配油盤2和斜盤4固定不轉(zhuǎn),當(dāng)原動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸使缸體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于斜盤的作用,迫使柱塞在缸體內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng),并通過配油盤的配油窗口

26、進(jìn)行吸油和壓油。如圖3-23中所示回轉(zhuǎn)方向,當(dāng)缸體轉(zhuǎn)角在2范圍內(nèi),柱塞向外伸出,柱塞底部缸孔的密封工作容積增大,通過配油盤的吸油窗口吸油;在0范圍內(nèi),柱塞被斜盤推入缸體,使缸孔容積減小,通過配油盤的壓油窗口壓油。缸體每轉(zhuǎn)一周,每個(gè)柱塞各完成吸、壓油一次,如改變斜盤傾角,就能改變柱塞行程的長度,即改變液壓泵的排量,改變斜盤傾角方向,就能改變吸油和壓油的方向,即成為雙向變量泵。圖323軸向柱塞泵的工作原理1缸體2配油盤3柱塞4斜盤5傳動(dòng)軸6彈簧配油盤上吸油窗口和壓油窗口之間的密封區(qū)寬度l應(yīng)稍大于柱塞缸體底部通油孔寬度l1。但不能相差太大,否則會發(fā)生困油現(xiàn)象。一般在兩配油窗口的兩端部開有小三角槽,以

27、減小沖擊和噪聲。斜軸式軸向柱塞泵的缸體軸線相對傳動(dòng)軸軸線成一傾角,傳動(dòng)軸端部用萬向鉸鏈、連桿與缸體中的每個(gè)柱塞相聯(lián)結(jié),當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過萬向鉸鏈、連桿使柱塞和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng),并迫使柱塞在缸體中作往復(fù)運(yùn)動(dòng),借助配油盤進(jìn)行吸油和壓油。這類泵的優(yōu)點(diǎn)是變量范圍大,泵的強(qiáng)度較高,但和上述直軸式相比,其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,外形尺寸和重量均較大。軸向柱塞泵的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小,慣性小,容積效率高,目前最高壓力可達(dá)40.0MPa,甚至更高,一般用于工程機(jī)械、壓力機(jī)等高壓系統(tǒng)中,但其軸向尺寸較大,軸向作用力也較大,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。2.軸向柱塞泵的排量和流量計(jì)算 見圖3-23,柱塞的直徑為d,柱塞分布圓直徑為D,

28、斜盤傾角為時(shí),柱塞的行程為s=Dtan,所以當(dāng)柱塞數(shù)為z時(shí),軸向柱塞泵的排量為： V=d2Dtanz/4 (3-29)設(shè)泵的轉(zhuǎn)數(shù)為n,容積效率為v則泵的實(shí)際輸出流量為： V=d2Dtanz nv/4 (3-30)實(shí)際上,由于柱塞在缸體孔中運(yùn)動(dòng)的速度不是恒速的,因而輸出流量是有脈動(dòng)的,當(dāng)柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí),脈動(dòng)較小,且柱塞數(shù)多脈動(dòng)也較小,因而一般常用的柱塞泵的柱塞個(gè)數(shù)為7、9或11。3.軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1)典型結(jié)構(gòu)。圖3-24所示為一種直軸式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)。柱塞的球狀頭部裝在滑履4內(nèi)，以缸體作為支撐的彈簧9通過鋼球推壓回程盤3，回程盤和柱塞滑履一同轉(zhuǎn)動(dòng)。在排油過程中借助斜盤2推動(dòng)柱塞作軸向

29、運(yùn)動(dòng)；在吸油時(shí)依靠回程盤、鋼球和彈簧組成的回程裝置將滑履緊緊壓在斜盤表面上滑動(dòng),彈簧9一般稱之為回程彈簧,這樣的泵具有自吸能力。在滑履與斜盤相接觸的部分有一油室,它通過柱塞中間的小孔與缸體中的工作腔相連,壓力油進(jìn)入油室后在滑履與斜盤的接觸面間形成了一層油膜,起著靜壓支承的作用,使滑履作用在斜盤上的力大大減小,因而磨損也減小。傳動(dòng)軸8通過左邊的花鍵帶動(dòng)缸體6旋轉(zhuǎn),由于滑履4貼緊在斜盤表面上,柱塞在隨缸體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)在缸體中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。缸體中柱塞底部的密封工作容積是通過配油盤7與泵的進(jìn)出口相通的。隨著傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),液壓泵就連續(xù)地吸油和排油。(2)變量機(jī)構(gòu)。由式(3-32)可知,若要改變軸向柱塞泵的輸

30、出流量,只要改變斜盤的傾角,即可改變軸向柱塞泵的排量和輸出流量,下面介紹常用的軸向柱塞泵的手動(dòng)變量和伺服變量機(jī)構(gòu)的工作原理。手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)。如圖3-24所示,轉(zhuǎn)動(dòng)手輪1,使絲杠12轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)變量活塞11作軸向移動(dòng)(因?qū)蜴I的作用,變量活塞只能作軸向移動(dòng),不能轉(zhuǎn)動(dòng))。通過軸銷10使斜盤2繞變量機(jī)構(gòu)殼體上的圓弧導(dǎo)軌面的中心(即鋼球中心)旋轉(zhuǎn)。從而使斜盤傾角改變,達(dá)到變量的目的。當(dāng)流量達(dá)到要求時(shí),可用鎖緊螺母13鎖緊。這種變量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,但操縱不輕便,且不能在工作過程中變量。圖3-24直軸式向柱塞泵結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)動(dòng)手輪2斜盤3回程盤4滑履5柱塞6缸體7配油盤8傳動(dòng)軸圖3-25伺服變量機(jī)構(gòu)1閥芯2鉸鏈3斜盤

31、4活塞5殼體伺服變量機(jī)構(gòu)。圖3-25所示為軸向柱塞泵的伺服變量機(jī)構(gòu),以此機(jī)構(gòu)代替圖3-24所示軸向柱塞泵中的手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)，就成為手動(dòng)伺服變量泵。其工作原理為：泵輸出的壓力油由通道經(jīng)單向閥進(jìn)入變量機(jī)構(gòu)殼體的下腔d,液壓力作用在變量活塞4的下端。當(dāng)與伺服閥閥芯1相連結(jié)的拉桿不動(dòng)時(shí)(圖示狀態(tài)),變量活塞4的上腔g處于封閉狀態(tài),變量活塞不動(dòng),斜盤3在某一相應(yīng)的位置上。當(dāng)使拉桿向下移動(dòng)時(shí),推動(dòng)閥芯1一起向下移動(dòng),d腔的壓力油經(jīng)通道e進(jìn)入上腔g。由于變量活塞上端的有效面積大于下端的有效面積,向下的液壓力大于向上的液壓,故變量活塞4也隨之向下移動(dòng),直到將通道e的油口封閉為止。變量活塞的移動(dòng)量等于拉桿的位移量

32、、當(dāng)變量活塞向下移動(dòng)時(shí),通過軸銷帶動(dòng)斜盤3擺動(dòng),斜盤傾斜角增加,泵的輸出流入隨之增加;當(dāng)拉桿帶動(dòng)伺服閥閥芯向上運(yùn)動(dòng)時(shí),閥芯將通道f打開,上腔g通過卸壓通道接通油箱而壓,變量活塞向上移動(dòng), 直到閥芯將卸壓通道關(guān)閉為止。它的移動(dòng)量也等于拉桿的移動(dòng)量。這時(shí)斜盤也被帶動(dòng)作相應(yīng)的擺動(dòng),使傾斜角減小,泵的流量也隨之相應(yīng)地減小。由上述可知,伺服變量機(jī)構(gòu)是通過操作液壓伺服閥動(dòng)作,利用泵輸出的壓力油推動(dòng)變量活塞來實(shí)現(xiàn)變量的。故加在拉桿上的力很小,控制靈敏。拉桿可用手動(dòng)方式或機(jī)械方式操作,斜盤可以傾斜18,故在工作過程中泵的吸壓油方向可以變換,因而這種泵就成為雙向變量液壓泵。除了以上介紹的兩種變量機(jī)構(gòu)以外,軸向柱

33、塞泵還有很多種變量機(jī)構(gòu)。如:恒功率變量機(jī)構(gòu)、恒壓變量機(jī)構(gòu)、恒流量變量機(jī)構(gòu)等,這些變量機(jī)構(gòu)與軸向柱塞泵的泵體部分組合就成為各種不同變量方式的軸向柱塞泵,在此不一一介紹。第五節(jié) 液 壓 泵 的 噪 聲噪聲對人們的健康十分有害,隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,工業(yè)噪聲對人們的影響越來越嚴(yán)重,已引起人們的關(guān)注。目前液壓技術(shù)向著高壓、大流量和高功率的方向發(fā)展,產(chǎn)生的噪聲也隨之增加,而在液壓系統(tǒng)中的噪聲,液壓泵的噪聲占有很大的比重。因此,研究減小液壓系統(tǒng)的噪聲,特別是液壓泵的噪聲,已引起液壓界廣大工程技術(shù)人員、專家學(xué)者的重視。液壓泵的噪聲大小和液壓泵的種類、結(jié)構(gòu)、大小、轉(zhuǎn)速以及工作壓力等很多因素有關(guān)。 一、產(chǎn)生噪聲的

34、原因(1)泵的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng),造成泵構(gòu)件的振動(dòng)。這種振動(dòng)有時(shí)還可產(chǎn)生諧振。諧振頻率可以是流量脈動(dòng)頻率的2倍、3倍或更大,泵的基本頻率及其諧振頻率若和機(jī)械的或液壓的自然頻率相一致,則噪聲便大大增加。研究結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速增加對噪聲的影響一般比壓力增加還要大。(2)泵的工作腔從吸油腔突然和壓油腔相通,或從壓油腔突然和吸油腔相通時(shí),產(chǎn)生的油液流量和壓力突變,對噪聲的影響甚大。(3)空穴現(xiàn)象。當(dāng)泵吸油腔中的壓力小于油液所在溫度下的空氣分離壓時(shí),溶解在油液中的空氣要析出而變成氣泡,這種帶有氣泡的油液進(jìn)入高壓腔時(shí),氣泡被擊破,形成局部的高頻壓力沖擊,從而引起噪聲。(4)泵內(nèi)流道具有截面突然擴(kuò)大和收縮、急拐

35、彎,通道截面過小而導(dǎo)致液體紊流、旋渦及噴流,使噪聲加大。(5)由于機(jī)械原因,如轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡、軸承不良、泵軸的彎曲等機(jī)械振動(dòng)引起的機(jī)械噪聲。二、降低噪聲的措施(1)消除液壓泵內(nèi)部油液壓力的急劇變化。(2)為吸收液壓泵流量及壓力脈動(dòng),可在液壓泵的出口裝置消音器。(3)裝在油箱上的泵應(yīng)使用橡膠墊減振。(4)壓油管的一段用橡膠軟管,對泵和管路的連接進(jìn)行隔振。(5)防止泵產(chǎn)生空穴現(xiàn)象,可采用直徑較大的吸油管,減小管道局部阻力;采用大容量的吸油濾油器,防止油液中混入空氣;合理設(shè)計(jì)液壓泵,提高零件剛度。第六節(jié) 液 壓 泵 的 選 用液壓泵是液壓系統(tǒng)提供一定流量和壓力的油液動(dòng)力元件,它是每個(gè)液壓系統(tǒng)不可缺少

36、的核心元件,合理的選擇液壓泵對于降低液壓系統(tǒng)的能耗、提高系統(tǒng)的效率、降低噪聲、改善工作性能和保證系統(tǒng)的可靠工作都十分重要。選擇液壓泵的原則是:根據(jù)主機(jī)工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求,首先確定液壓泵的類型,然后按系統(tǒng)所要求的壓力、流量大小確定其規(guī)格型號。表3-1列出了液壓系統(tǒng)中常用液壓泵的主要性能。表3-1 液壓系統(tǒng)中常用液壓泵的性能比較性能外嚙合輪泵雙作用葉片泵限壓式變量葉片泵徑向柱塞泵軸向柱塞泵螺桿泵輸出壓力低壓中壓中壓高壓高壓低壓流量調(diào)節(jié)不能不能能能能不能效率低較高較高高高較高輸出流量脈動(dòng)很大很小一般一般一般最小自吸特性好較差較差差差好對油的污染敏感性不敏感較敏感較敏感很敏感很敏感不敏感噪聲大小較大大大最小一般來說,由于各類液壓泵各自突出的特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)、功用和動(dòng)轉(zhuǎn)方式各不相同,因此應(yīng)根據(jù)不同的使用場合選擇合適的液壓泵。一般在機(jī)床液壓系統(tǒng)中,往往選用雙作用葉片泵和限壓式變量葉片泵;而在筑路機(jī)械、港口機(jī)械以及小型工程機(jī)械中往往選擇抗污染能力較強(qiáng)的齒輪泵;在負(fù)載大、功率大的場合往往選擇柱塞泵。